Имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов
Имитатор аккумуляторной батареи относится к оборудованию для тестирования систем электроснабжения космических аппаратов, источником питания в которых является аккумуляторная батарея, в частности представляет собой имитатор аккумуляторной батареи, используемый для тестирования систем электроснабжения. Задача полезной модели - повышение КПД системы, повышение надежности и улучшение имитации динамических характеристик первичных источников питания, а также обеспечение автоматизации и программирования режимов проведения испытаний. Имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, содержит прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и системой электроснабжения через выходной фильтр, и связанные с блоком управления. При этом прямой канал (или канал имитации разряда) включает последовательно соединенные входной выпрямитель и высокочастотный преобразователь энергии, выход которого связан с выходным фильтром, а вход - с блоком управления, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает повышающий преобразователь и инвертор. Высокочастотный преобразователь энергии прямого канала выполнен в виде мостового автономного инвертора с функциями преобразования напряжения и гальванической развязки. Обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения с параллельным ключевым элементом, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через фильтр, с системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, выполненного на IGВТ-транзисторах. Кроме того, для обеспечения автоматизации и программирования режимов проведения испытаний, имитатор аккумуляторной батареи содержит встроенную ПЭВМ, связанную с блоком управления и программно задающую режимы его работы, а также имитаторы датчиков давления и температуры, выходы которых соединены с указанной ПЭВМ.
Полезная модель относится к оборудованию для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, источником питания в которых является аккумуляторная батарея, в частности представляет собой имитатор аккумуляторной батареи, используемый для испытаний систем электроснабжения. Полезная модель может использоваться для имитации работы никель-водородной аккумуляторной батареи в наземно-технических испытаниях систем электропитания космических аппаратов.
Электрооборудование современных ракетно-космических систем содержит первичные и вторичные источники электрической энергии, накопители энергии, энергопреобразующее оборудование и потребители электроэнергии. Все эти подсистемы находятся в сложной динамической взаимосвязи друг с другом, являются источниками кондуктивных и наведенных электромагнитных помех, что существенно влияет на качество электроэнергии, помехоустойчивость и помехозащищенность бортовой сети. Совершенствование элементной базы и применение новых технических решений существенно повысило быстродействие и энергопотребление бортового электрооборудования, что привело к необходимости совершенствования наземных испытательных комплексов, улучшения их качественных и количественных характеристик с целью обеспечения требуемой точности и качества отработки как систем энергоснабжения, так и потребителей электроэнергии, автоматизации процессов управления и обработки результатов экспериментов.
Обычный метод испытания наземных систем электроснабжения включает процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи и определение отклика системы на эти процессы. Однако, поскольку процессы заряда/разряда являются относительно медленными процессами, такой подход для испытаний системы требует значительных затрат времени для его проведения, кроме того, использование реальных аккумуляторных батарей для проведения испытаний является слишком затратным.
Поэтому в последние годы используют различные имитаторы аккумуляторных батарей для проведения таких испытаний, обеспечивающих снижение времени проведения испытаний, а также затрат, связанных с проведением таких испытаний.
Известны имитаторы аккумуляторных батарей для испытаний систем электроснабжения, описанные, например, в заявке США №20060132097, (Интеллектуальная система имитации батареи), В этом устройстве имитатор батареи в режиме разряда генерирует разрядный ток, который подается к встроенному контроллеру
системы, и зарядный ток в режиме заряда, при котором он потребляет зарядный ток от встроенного контроллера системы. Однако, в заявке не описывается как конкретно имитируются процессы заряда и разряда батареи, а описывается только общая структура, используемая для проведения испытаний. Недостатком устройства является низкий КПД использования электроэнергии, так как потребляемая мощность в режиме заряда рассеивается в виде тепловых потерь.
Известны имитаторы батарей по патентам США 5428560 и 4499552, которые при большой точности имитации слишком сложны и громоздки, т.к. каждая величина внутреннего сопротивления батареи Rg и ее э.д.с. Eg связана с соответствующим регистром, содержимое которых преобразуется одним или двумя цифро-аналоговыми преобразователями в стандартизированные аналоговые напряжения. Число разрядов этих преобразователей является функцией требуемого разрешения, учитывая динамический диапазон двух физических величин Rg и Eg.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является по существенным признакам и техническому результату имитатор химической батареи по авторскому свидетельству SU 1089593, включающий прямой и обратный каналы передачи энергии, соответствующие режимам разряда и заряда батареи, выходного фильтра, блока управления, включающего датчик тока и функциональный преобразователь, и элементы гальванической развязки. Прямой канал включает диодный выпрямитель, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Обратный канал содержит транзисторный инвертор, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Имитатор обеспечивает двухсторонний обмен энергией между сетью переменного напряжения и потребителем со стороны выхода, обеспечивая более высокий КПД использования электроэнергии.
Недостатки указанного имитатора заключаются в следующем:
- в указанной системе преобразователь энергии является статическим, т.е. ток непрерывно протекает через регулирующие транзисторы, делая низким КПД системы, транзисторы статического преобразователя необходимо устанавливать на радиаторы больших размеров с дополнительным воздушным охлаждением, увеличивая при этом массогабаритные показатели и стоимость устройства;
- из-за использования релейных транзисторных стабилизаторов система обладает слишком большой инерционностью, снижающей возможность исследования динамических характеристик аккумуляторной батареи;
- тиристорные инверторы не обладают достаточной надежностью, отвечающей
современным требованиям;
- невозможность программного управления процессом испытаний.
Задача полезной модели - повышение КПД системы, повышение надежности и улучшение имитации динамических характеристик первичных источников питания, а также обеспечение автоматизации и программирования режимов проведения испытаний.
Имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, так же как и прототип, содержит прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока, и системой электроснабжения через выходной фильтр, и связанные с блоком управления. При этом прямой канал (или канал имитации разряда) включает последовательно соединенные входной выпрямитель и высокочастотный преобразователь энергии, выход которого связан с выходным фильтром, а вход - с блоком управления, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает повышающий преобразователь и инвертор. В отличие от прототипа, в предлагаемой полезной модели высокочастотный преобразователь энергии прямого канала выполнен в виде мостового автономного инвертора с функциями преобразования напряжения и гальванической развязки, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения с параллельным ключевым элементом, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через фильтр, с системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, выполненного на IGВТ-транзисторах.
Кроме того, для обеспечения автоматизации и программирования режимов проведения испытаний, имитатор аккумуляторной батареи содержит встроенную ПЭВМ, связанную с блоком управления и программно задающую режимы его работы, а также имитаторы датчиков давления и температуры, выходы которых соединены с указанной ПЭВМ.
На рисунке показана структурная схема имитатора аккумуляторной батареи.
Имитатор аккумуляторной батареи состоит из прямого канала 1 (канал имитации разряда) и обратного канала 2 (канал имитации заряда) преобразования энергии. Прямой 1 и обратный 2 каналы соединены с сетью переменного тока и с испытываемой системой
электроснабжения 3 через выходной фильтр 5. Оба канала соединены с блоком управления 6, связанным с ПЭВМ 7, на входы которой поступают сигналы с датчиков температуры 8 и давления 9. Прямой канал 1 содержит входной выпрямитель 10, последовательно соединенный с автономным инвертором 11, выход которого соединен с выходным фильтром 12. Выход фильтра 12 является выходом прямого канала и соединен с входом испытываемой системы электроснабжения 3. Второй вход автономного инвертора 11 соединен с выходами блока управления 6. Обратный канал 2 состоит из, последовательно соединенных, повышающего преобразователя 13, автономного инвертора 14, фильтра 15 и ведомого сетью инвертора 16, соединенного с питающей сетью переменного тока. Входы автономного инвертора 14 и повышающего преобразователя 13 связаны с выходами блока управления 6.
Принцип действия имитатора аккумуляторной батареи основан на преобразовании электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, передаче ее в нагрузку в режиме «Разряд» и преобразовании входного постоянного тока в энергию переменного тока и передаче ее в питающую сеть в режиме «Заряд».
В режиме «Разряд» имитатор функционирует как вторичный источник питания. Напряжение питающей сети поступает на выпрямитель 10, выпрямленным напряжением которого запитан автономный инвертор 11, представляющего собой шестифазный гальваноразвязанный ШИМ-преобразователь, регулирующий и стабилизирующий напряжение, которое через выходной фильтр 5 поступает в испытываемую систему электроснабжения 3.
В качестве силового выпрямителя использован трехфазный мостовой диодный модуль.
В данном техническом решении автономный инвертор является высокочастотным преобразователем, в котором транзисторы работают в ключевом режиме, по сравнению с прототипом, что позволяет значительно уменьшить потери мощности, улучшить массогабаритные показатели и динамические характеристики. Такое решение позволяет обеспечить также гальваноразвязку без использования для этого дополнительных элементов схемы.
Поддержание требуемых параметров канала «Разряд» и управление силовыми ключами обеспечивается блоком управления 6.
В режиме «Заряд» напряжение с выхода системы электроснабжения 3 поступает на модули повышающего преобразователя 13, который стабилизирует и регулирует входное напряжение в данном режиме. Повышающий преобразователь 13 представляет собой два конвертора повышающего типа, каждая из ячеек которого сдвинута по управлению на 180
электрических градусов друг относительно друга. Синхронизация соответствующих трех ячеек преобразователя 13 сдвинута друг относительно друга на 60 электрических градусов.
Регулировочная характеристика каждой ячейки определяется выражением:
где Uвых - выходное напряжение ячейки,
Uвх - входное напряжение ячейки,
- коэффициент заполнения, равный отношению длительности открытого состояния ключа к периоду его коммутации
С выходов повышающего преобразователя 13 повышенное напряжение поступает на трехфазный гальваноразвязанный ШИМ-преобразователь 14, организованный на модулях конвертора сброса, который поддерживает постоянное напряжение у себя на входе. Выходное напряжение инвертора 14 через фильтр 15 поступает на ведомый сетью инвертор 16, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети. Задача фильтра 15 состоит в фильтрации высокочастотной пульсации выходной энергии инвертора 14, сбрасываемой в сеть. С выхода ведомого сетью инвертора 16 эта энергия возвращается в сеть. Ведомый сетью инвертор 16 предназначен для передачи в сеть энергии, поступающей с фильтра 15. Ведомый сетью инвертор 16 содержит трехфазный инвертор на транзисторных стойках и работает с постоянными углами инвертирования, равными 15 электрических градусов. Импульсы управления на транзисторы формируются в блоке управления 6.
Основной функцией регулятора канала «Заряд» является регулирование и стабилизация входного напряжения U AБ, однако дополнительно реализована функция стабилизации входного тока имитатора батареи.
Помимо силовых каналов, имитирующих вольт-амперную характеристику реальной батареи, устройство содержит имитаторы датчиков давления 9 и датчиков температуры 8, которые реализуют имитацию соответствующих датчиков, встроенных в корпус полетной аккумуляторной батареи. Управление имитаторами датчиков давления 9 и температуры 8 осуществляется от блока управления 6. Таким образом, в электротехническом смысле, устройство имитации, способное воспроизводить в режиме реального времени необходимые режимы работы полетной аккумуляторной батареи, «воспринимается» системой электроснабжения космического аппарата как реальная полетная аккумуляторная батарея.
Поддержание заданного входного тока имитатора и защиту силовых ключей по току осуществляет блок управления 6.
Для обеспечения автоматизации управления процесса наземно-технических испытаний, в систему имитации аккумуляторной батареи встроена ПЭВМ, которая посредством блока управления, способна управлять режимами работы имитатора.
Кроме того, посредством ПЭВМ в имитаторе осуществляется автоматический самоконтроль основных электрических параметров при включении питания с подтверждением готовности имитатора к работе.
Имитатор аккумуляторных батарей по данной полезной модели позволяет улучшить динамические характеристики и снизить энергопотребление, с одновременным снижением массогабаритных параметров, повысить надежность имитатора, и обеспечить автоматизацию проведения испытаний с возможностью программного управления параметрами испытаний.
1. Имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, содержащий прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и системой электроснабжения через выходной фильтр, и связанные с блоком управления, в котором прямой канал (или канал имитации разряда) включает последовательно соединенные входной выпрямитель и высокочастотный преобразователь энергии, выход которого связан с выходным фильтром, а вход - с блоком управления, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает повышающий преобразователь и инвертор, отличающийся тем, что высокочастотный преобразователь энергии прямого канала выполнен в виде в виде мостового автономного инвертора с функциями преобразования напряжения и гальванической развязки, а канал обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения с параллельным ключевым элементом, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через фильтр, с системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, выполненного на IGBT-транзисторах.
2. Имитатор аккумуляторной батареи по п.1, отличающийся тем, что содержит встроенную ПЭВМ, связанную с блоком управления и программно задающую режимы его работы, а также имитаторы датчиков давления и температуры, выходы которых соединены с указанной ПЭВМ.
